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Institut für Energie- und Klimaforschung

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DEMO

Zurzeit wird in Cadarache im Süden von Frankreich das große Fusionsexperiment ITER (lat.: Der Weg) aufgebaut. ITER ist der weltweit erste Fusionsreaktor – er wird bei der Fusion von Deuterium und Tritium eine positive Leistungsbilanz erzielen. Die Plasmapulse werden jedoch nur eine Dauer von einigen Minuten bis zu einer Stunde erreichen und die erzeugte Fusionsleistung zu gering sein, um dauerhaft Strom zu erzeugen. Die Netto-Stromerzeugung ist dann für eine nachfolgende Anlage, den Demonstrationsreaktor DEMO, vorgesehen. Dieser wird im Vergleich zu ITER etwas größer sein, eine höhere Fusionsleistung und Leistungsverstärkung aufweisen, und kann somit elektrische Energie im Maßstab von einigen hundert Millionen Watt in das Netz einspeisen. Ein wichtiges Ziel von DEMO ist auch eine höhere Verfügbarkeit im Vergleich zu ITER, was einerseits längere Plasmapulse und andererseits eine längere Haltbarkeit aller Komponenten voraussetzt.

Mit der hohen Verfügbarkeit sowie der großen Fusionsleistung von DEMO ergibt sich im Vergleich zu ITER ein wesentlich höherer Verbrauch an Tritium. Dieser überschwere Wasserstoff ist ein instabiles Isotop und wird im bislang auf der Erde im wesentlichen nur als Nebenprodukt in Kernspaltungsreaktoren erzeugt. Die daraus verfügbare Menge von derzeit einigen 10 kg Tritium reicht zwar für den Experimentbetrieb an ITER aus, nicht aber für DEMO. Daher soll an einem DEMO-Reaktor die benötigte Tritium-Menge vollständig vor Ort in einem „Brut-Blanket“ erzeugt werden, welches das heiße Fusionsplasma umgibt. Die aus dem Plasma emittierten Neutronen dringen in das Blanket ein und reagieren dort mit Lithium, so dass Tritium und Helium entstehen. Das entstehende Tritium-Gas wird dann aufgefangen und dem heißen Fusionsplasma zugeführt. Die zweite benötigte Komponente des Fusionsbrennstoffs, Deuterium, kommt auf der Erde in praktisch unerschöpflichen Mengen im Meerwasser vor.

Nach heutigem Verständnis beruhen die meisten Konzepte für DEMO auf dem torusförmigen magnetische Einschluss nach dem „Tokamak“-Prinzip – genau wie bei ITER. Hierbei wird das heiße Plasma von einem Magnetfeld eingeschlossen, welches durch supraleitende Spulen sowie durch einen im Plasma fließenden Strom erzeugt wird. Die große Herausforderung besteht darin, das mehr als 100 Millionen Grad heiße Plasma und die aus dem Plasma entweichenden Wärme- und Teilchenflüsse so stabil zu kontrollieren, dass die Wände der Brennkammer die Wechselwirkung mit dem Plasma langfristig überstehen.

Nach aktuellen europäischen Studien könnte ein DEMO Tokamak-Reaktor etwa folgende Betriebsparameter aufweisen:

Plasmavolumen1700 m3
Magnetfeldstärke6.5 Tesla
Plasmastrom17 Mega-Ampere

Fusionsleistung1800 MW
Elektrische Ausgangsleistung500 MW
Pulsdauer2 Stunden
Betriebsbeginnca. 2040

Designstudie des Fusionsreaktors DEMOQuelle: KIT Karlsruhe

DEMO Designstudie

Die Entwicklung von DEMO wird hinsichtlich Physik und Technologie auf viele Erkenntnisse zurückgreifen, die bei Bau und Betrieb von ITER erzielt werden. Dennoch muss die Entwicklung eines Konzepts für DEMO bereits begleitend zu ITER heute begonnen werden, um mit DEMO-spezifischen Forschungsarbeiten diejenigen offenen Fragen zu klären, die bei ITER voraussichtlich nicht beantwortet werden. So sind z.B. an DEMO die Anforderungen an die Haltbarkeit von Materialien sowie an die Stabilität des Plasmabetriebs nochmals wesentlich höher als an ITER. Für die Machbarkeit der kommerziellen Fusionsenergie wird auch die praktische Realisierung eines Brut-Blankets mit vollständiger Eigenversorgung des Tritium-Bedarfs (Tritium-Brutrate TBR > 1) entscheidend sein.

In Europa wurde für die Entwicklung der Fusionsenergie in 2012 ein neuer Forschungsplan [à Link zur EU-Roadmap] vorgestellt, in dem die wesentlichen Themen für die Entwicklung von DEMO definiert werden, mit dem Ziel, durch koordinierte Forschungsarbeiten bis zum Jahre 2050 die kommerzielle Stromerzeugung durch die Fusion zu realisieren. In Deutschland wurde bereits seit 2010 eine enge Zusammenarbeit der Fusionslaboratorien in Garching, Greifswald, Karlsruhe und Jülich begonnen, um gemeinsam den aktuellen Stand des Wissens in der Fusionsforschung festzustellen und die richtigen Weichen für die weiteren Forschungsarbeiten im Hinblick auf DEMO zu stellen. Jülich beteiligt sich an diesen koordinierten europäischen und deutschen Forschungsarbeiten zur Fusion im Rahmen seiner Kernkompetenzen: Plasma-Wand-Wechselwirkung, fusionsbezogene Materialforschung sowie Plasmadiagnostik und –kontrolle.

In Deutschland wird weiterhin ein alternatives Konzept für den Einschluss eines heißen Fusionsplasmas intensiv verfolgt. Beim so genannten Stellarator wird das einschließende Magnetfeld vollständig durch die Magnetfeldspulen erzeugt. Daher wird - anders als im Tokamak - kein Plasmastrom benötigt, so dass im Prinzip zeitlich unbegrenzte Plasmaentladungen möglich werden. Jülich beteiligt sich intensiv an den Vorbereitungsarbeiten für die Inbetriebnahme des Stellarators Wendelstein 7-X in Greifswald, entwickelt hierzu Messtechnik und bereitet Experimente und deren Auswertung zur Untersuchung der Plasma-Wandwechselwirkung an W7-X vor.

Die Lösung der vielfältigen Probleme bei der Entwicklung von DEMO erfordert die enge Zusammenarbeit von Physikern und Ingenieuren verschiedener Fachrichtungen. Teilaufgaben in diesem Projekt können auch als Master- oder Doktorarbeiten vergeben werden.

Kontakt

Dr. Wolfgang Biel

Telefon 02461 61-5151
Telefax 02461 61-5452
w.biel@fz-juelich.de


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